01
Abstraktné
Volfrám je vďaka svojmu vysokému bodu topenia, dobrej tepelnej vodivosti a nízkej retencii vodíka ideálnym materiálom pre plazmovo{0}}orientované komponenty v reaktoroch jadrovej syntézy. Avšak jeho vnútorná krehkosť a vysoká ťažná-teplota krehkého prechodu (DBTT) ho robia veľmi náchylným na praskanie počas laserového spracovania. Je to v podstate spôsobené extrémne vysokou rýchlosťou ochladzovania a teplotným gradientom vedúcim k tepelnému namáhaniu a zoslabovaniu hraníc zŕn. Existujúce metódy na potlačenie praskania zahŕňajú predhrievanie substrátu, legovanie nanočastíc a pulzné lasery, ale tieto metódy majú obmedzenia, ako je degradácia prášku, zmeny zloženia alebo zvýšená pórovitosť. V posledných rokoch sa tvarovanie laserovým lúčom (ako sú prstencové lúče) používa na zníženie maximálnej hustoty výkonu, transformuje zváranie s hlbokým prienikom na tepelne vodivé zváranie, čím sa účinne znižujú teplotné gradienty a rýchlosti ochladzovania. Oscilácia laserového lúča môže miešať roztavený kúpeľ, ďalej homogenizovať vstup tepla a podporovať tvorbu rovnoosých zŕn. Obe metódy sú založené na termodynamickom riadení a majú komplementárne mechanizmy. Tento dokument navrhuje ich kombináciu, aby sa dosiahlo opakovateľné zváranie čistého volfrámu- bez trhlín bez predhrievania alebo úpravy. Systematicky sa študujú účinky tvaru lúča a parametrov oscilácie na trhliny, roztavený kúpeľ a mikroštruktúru, čo poskytuje referenciu pre následnú aditívnu výrobu.
02
Prehľad
Táto štúdia systematicky porovnávala účinky troch tvarov laserového lúča-Gaussovho lúča, distribúcie prstencového jadra (RC 80/20) a prstencového lúča-na praskanie jednoprechodových zvarov v čistých volfrámových tenkých doskách pri rôznych parametroch oscilácie. Kombináciou termofyzikálnej simulácie, analýzy optickej mikroskopie a charakterizácie EBSD bola vykonaná analýza vo viacerých mierkach, od makroskopickej štatistiky trhlín a geometrie roztaveného bazéna až po mikroskopickú štruktúru zŕn. Experimentálne výsledky ukazujú, že Gaussov lúč vďaka svojmu príliš vysokému špičkovému výkonu ľahko vytvorí hlbokú a úzku roztavenú nádrž (pomer hĺbky-k{9}}šírke > 1), čo vedie k vážnemu praskaniu s mierou bez-trhlín iba 36 %. Na rozdiel od toho, prstencové a RC 80/20 lúče znížením hustoty špičkového výkonu rozširujú a plytšia taveninu, čím výrazne znižujú teplotný gradient a rýchlosť ochladzovania. Samotný nosník RC 80/20 môže dosiahnuť mieru bez trhlín{19}}80 %. Na základe tohto základu pridanie oscilácie laserového lúča ďalej potláčalo praskanie vo všetkých typoch lúčov, pričom pomer strán vo všeobecnosti klesol pod 1. Kombinácia RC 80/20 a oscilácie dosahovala 91 % mieru bez trhlín-v 55 súboroch parametrov. Okrem toho to viedlo k vytvoreniu väčších rovnoosých kryštálov v roztavenom kúpeli, ktoré sa tesne zhodovali so simulovaným znížením rýchlosti chladenia až o 45 %. Záverečná štatistická analýza odhalila, že tvar lúča, výkon lasera a rýchlosť skenovania boli najvýznamnejšími parametrami ovplyvňujúcimi iniciáciu trhlín, zatiaľ čo frekvencia a amplitúda oscilácií nemali v rámci tejto štúdie významný vplyv. To demonštruje, že kombinovaná stratégia tvarovania lúča a oscilácie môže dosiahnuť opakovateľné zváranie volfrámu bez trhlín{32} bez predhrievania alebo úpravy materiálu.
03
Grafická analýza
Údaje v ľavom hornom rohu obrázku 1 ukazujú, že pri rovnakom priemere škvrny (202 μm) a procesných podmienkach je teplotný gradient G lúča RC 80/20 výrazne nižší ako u Gaussovho lúča, zatiaľ čo rýchlosť rastu R je o niečo vyššia. Kľúč spočíva vo výsledkoch výpočtu rýchlosti chladenia v pravom hornom rohu-rýchlosť ochladzovania lúča RC 80/20 je znížená približne o 40 % v porovnaní s Gaussovým lúčom s rovnakým priemerom bodu a ďalej znížená o približne 45 % v prípade prstencového lúča. Simulovaný prierez bazénom{11}}uvedený nižšie to tiež vizuálne odráža: roztavený bazén tvarovaného lúča je širší a plytší. Tieto údaje priamo vysvetľujú, prečo tvarovanie lúča môže účinne redukovať trhliny{13}}spôsobené tepelným stresom, čím poskytuje silnú podporu pre následné experimenty z termodynamickej perspektívy.
Obrázok 2 zodpovedá Gaussovmu zväzku. Bez kmitania preniká pozdĺžna trhlina celým zvarom. S pridaním kmitania však aj pri podobných hustotách energie čiary prasklina úplne zmizne. Obrázok 3 zodpovedá nosníku RC 80/20. Bez oscilácie trhlina stále existuje pri vysokých hustotách energie vedenia. S pridaním oscilácie je trhlina úplne eliminovaná. To plne demonštruje, že bez ohľadu na tvar lúča môže oscilácia účinne potlačiť trhliny. Mechanizmus spočíva v tom, že oscilácia lúča rozvíri roztavený kúpeľ, čím sa prívod tepla stáva rovnomernejším. Pôvodne úzka a hlboká tavenina je výrazne rozšírená a pomer hĺbky-k-šírke klesne pod 1. Režim zvárania sa zmení zo zvárania s hlbokým prienikom na zváranie tepelným vedením, čím sa uvoľní tepelné napätie.
Obrázok 4 kvantifikuje vplyv stratégie spracovania na mikroštrukturálnej úrovni. Ľavá strana ukazuje, že priemerná veľkosť zrna Gaussovho lúča (93 μm) je len 10,2 μm; použitím samotného RC 80/20 (202 μm) sa zvýši na 14,3 μm; a keď sa RC 80/20 skombinuje s osciláciou, zrná ďalej hrubnú, čo dokonale zodpovedá výsledku simulácie zníženia rýchlosti ochladzovania o 45 %. Údaje o pomere strán vpravo ukazujú, že zrná kombinácie tvarovania a oscilácie sú bližšie k rovnoosým (pomer blízky 1), zatiaľ čo zrná Gaussovho lúča sú jasne stĺpcovité (pomer väčší). Vyšší podiel a väčší počet rovnoosých zŕn znamená, že mechanické vlastnosti materiálu sú izotropnejšie a jeho odolnosť voči šíreniu trhlín je silnejšia, čo vysvetľuje, prečo sú trhliny účinne potlačené na mikroštruktúrnej úrovni.
04
Zhrnutie
Táto štúdia potvrdzuje, že kombinovanou stratégiou tvarovania laserového lúča a oscilácie možno dosiahnuť opakovateľné zváranie čistého volfrámu- bez trhlín bez predhrievania alebo úpravy materiálu. Spomedzi testovaných parametrov dosiahol najlepšie výsledky prstencový lúč RC 80/20 kombinovaný s osciláciou, ktorý dosiahol mieru bez trhlín 91 %, čo je výrazne viac ako 36 % Gaussovho lúča. Táto kombinácia účinne potláča praskliny znížením maximálnej hustoty výkonu a miešaním roztaveného kúpeľa, premenou zváracieho režimu na teplo{8}}vodivé zváranie, znížením rýchlosti ochladzovania až o 45 % a podporou tvorby väčších rovnoosých kryštálov. Tvar lúča, výkon lasera a rýchlosť skenovania sú kľúčové ovplyvňujúce parametre, zatiaľ čo frekvencia a amplitúda oscilácií majú malý vplyv. Budúci výskum musí ďalej overiť použiteľnosť tejto stratégie vo viac-vrstvovej, viac{13}}priechodovej laminácii a v skutočnej výrobe PBF-LB/M.
